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SOLUCIÓN AL 1/7/2017 EMPUJANDO ELECTRONES

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EMPUJANDO ELECTRONES

Hay muchos fenómenos físicos que, pese a que son bien conocidos, no por ello son bien comprendidos. Es el caso de la termoelectricidad. El denominado efecto Seebeck dio nombre a un fenómeno descubierto en 1821, que acontece cuando unimos dos materiales de distinta naturaleza en dos puntos y entre las dos uniones se establece una diferencia de temperatura al pasar la corriente. Realmente, la interacción entre fenómenos eléctricos y térmicos se conoce desde que Joule, en el siglo XIX, observó que cuando tiene lugar un movimiento de electrones la materia ofrece resistencia y como consecuencia de la cesión de energía cinética de los electrones al entorno, debido a choques sucesivos de éstos con el material, se disipa energía en forma de calor. Seebeck construyó el denominado termopar, concluyendo que la diferencia de potencial que se lograba era función de la naturaleza del material y de la diferencia de temperaturas que se establecía.

Sobre el efecto Seebeck fue descubierto en 1834 el efecto Peltier, invirtiendo los términos del efecto Seebeck y estableciendo que si se hace pasar una corriente continua a través de un circuito formado por dos conductores de distinta naturaleza, acontece que una de las uniones absorbe calor, mientras que la otra lo cede. La energía cedida es la suma de la energía eléctrica suministrada más el calor absorbido por la unión que se enfría. Esta es, justamente, la definición de una máquina frigorífica. Cerramos los descubrimientos citando el trabajo realizado por Thomson, dando nombre al efecto, según el cual se absorbe o libera calor por un conductor eléctrico, cuando se establece un gradiente de temperaturas por el que circula la corriente eléctrica.

Lord Rayleigh, premio Nobel en 1904 y vivió entre 1842 y 1919 ya propuso utilizar los dispositivos termoeléctricos para generar corriente eléctrica. Los rendimientos que se obtenían no permitieron su desarrollo. Solamente en entornos militares o en el ámbito médico en los que la eficiencia no es primordial, sino otros requerimientos, se ha aplicado la refrigeración termoeléctrica. Los ordenadores actuales, especialmente los portátiles la incorporan por exigencia menor. En otros ámbitos prevalece la tecnología de compresión, en gran medida debido a que la incorporación de los semiconductores ha sido más lenta de lo previsto y a problemas con la disipación del calor generado de forma eficiente, lo que exige la génesis de nuevos materiales y un diseño térmico muy ligado al dispositivo.

Hoy hay una alternativa eficiente. Se trata de mejorar los rendimientos de los motores y de cualquier dispositivo que disipe calor. Desde el punto de vista termoeléctrico, se trata de hacer cabalgar el calor residual acoplando el flujo de calor a la corriente eléctrica. Pero para lograrlo, hay que comprender bien el fenómeno descubriendo aspectos fundamentales del mismo. Sigue siendo de actualidad en el área de la termoelectricidad la pregunta más básica y fundamental que subyace al proceso físico. Es relevante que en un reciente estudio publicado por Arpelet y colaboradores se cuestiona la naturaleza de las fuerzas que ponen a trabajar los electrones cuando se aplica una diferencia de temperatura en el itinerario que recorren éstos a través de un material termoeléctrico. Estos autores concluyen que la fuerza que pone a los electrones a trabajar para poder sacar rendimiento al calor residual, está ligado a la habilidad de los electrones para difundirse a través del material. Esto desvela un camino para el desarrollo de potenciales aplicaciones, por cuanto la producción de energía eléctrica a partir de calor residual requiere dispositivos termoeléctricos diseñados para estimular la energía en un rango de magnitud que permita alcanzar la escala del kilovatio, mientras que en los materiales convencionales de hoy solamente se alcanza una escala de microvatios.
Esto permitiría la utilización de la energía que, por ejemplo, disipan los automóviles con motor de explosión, ciclo Otto o ignición mediante chispa, que llega a ser de un 30%, por lo que el 70% restante de la energía que suministra el combustible, se disipa de forma indeseable. Si se trata de un motor diesel, el rendimiento mejora algo, alcanzando en torno a un 40% pero, no obstante, desperdicia un 60%. Si se tratara de generación de energía eléctrica habría que afectar esos porcentajes por un 0.90%, más o menos, por el rendimiento del alternador, con lo que todavía la reducción es mayor. ¡Vale la pena la investigación! Tanto más, cuanto trata aspectos básicos que son los que conducen a resultados de alcance.

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